城市燃气工程技术专业二年级《城镇燃气门站与调压站工艺设计》单元教学设计

城市燃气工程技术专业二年级《城镇燃气门站与调压站工艺设计》单元教学设计

  一、教学整体设计

  （一）课程定位与单元背景

  本单元隶属于高职层次城市燃气工程技术专业核心课程《燃气输配工程》中的关键模块。在专业人才培养体系中，本课程衔接前期《工程流体力学》、《燃气燃烧与应用》、《燃气设备》等基础理论与设备课程，并为后续《燃气工程施工技术》、《燃气安全技术》、《顶岗实习》等综合实践课程奠定核心能力基础。燃气调压站作为城镇燃气输配系统的“心脏”，其工艺设计的合理性、安全性、经济性直接关系到整个供气系统的稳定运行、公共安全与经济效益。因此，本单元教学不仅是理论知识的内化点，更是面向复杂工程问题解决能力、规范应用能力与职业素养养成的关键训练场。在当前能源结构转型、智慧燃气与“双碳”目标驱动的行业背景下，本单元教学融入数字化设计工具、智能化监控理念及全生命周期成本分析，旨在培养适应行业发展新要求的高素质技术技能人才。

  （二）学情分析

  教学对象为城市燃气工程技术专业二年级学生，他们已具备以下前期基础与特征：

  1.知识基础：掌握了燃气基本性质、流体流动基本规律（伯努利方程、阻力计算）、常用燃气设备（如过滤器、阀门、流量计）的工作原理，以及对城镇燃气输配系统有宏观认识。但对各子系统、设备的集成设计与协同工作逻辑理解尚浅。

  2.技能基础：具备识读简单工艺流程图（PID）、查阅工具书和专业标准（如GB50028《城镇燃气设计规范》）的初步能力，能够使用CAD软件进行基本图形绘制。但在复杂工艺流程设计、设备选型计算、安全冗余配置及图纸规范化表达方面存在明显短板。

  3.认知与能力特点：学生思维活跃，对工程实践兴趣浓厚，乐于通过动手操作和项目实践来学习。但系统思维、工程经济意识、安全规范严谨性有待加强。面对多参数、多约束的工程设计问题，往往顾此失彼，缺乏全局优化意识。

  4.学习需求：学生渴望获得“可操作”的设计方法指导，了解行业真实工作流程与标准，希望通过完成一个具有挑战性的综合性设计任务来整合零散知识，获得职业成就感。

  （三）教学目标（成果导向）

  基于OBE（成果导向教育）理念，本单元教学目标分为知识、能力、素养三个维度，并最终聚焦于综合性的“学习成果”：

  1.知识目标：

    （1）深入阐述城镇燃气门站与调压站的功能分类、工艺流程组成及其在输配管网系统中的定位。

    （2）系统解析调压站核心设备（如调压器、安全阀、切断阀、过滤器、加热器）的选型原则、性能参数及其匹配关系。

    （3）准确复述与燃气调压站设计相关的国家强制性标准、行业规范（如GB50028、GB50251、CJJ33等）的核心安全条款与设计要点。

    （4）理解调压站工艺参数计算（如通过能力校核、管径确定、安全放散量计算）的基本原理。

  2.能力目标：

    （1）设计能力：能够针对给定的气源条件、用户负荷与站址环境，独立完成一座典型区域调压站的初步工艺设计，包括工艺流程拟定、设备初步选型与平面布置草图。

    （2）计算能力：能够进行关键工艺参数的计算与校核，并利用计算结果指导设备选型。

    （3）制图与表达能力：能够运用CAD软件，遵循行业制图规范，绘制清晰、准确、完整的工艺流程图（PID）和站区工艺设备平面布置图。

    （4）规范应用能力：在设计的每个环节，能主动、准确地查阅并应用相关设计规范，确保设计方案的合法合规性。

    （5）分析与决策能力：能够对设计方案进行多方案对比，从技术可行性、安全性、经济性、运行维护便利性等角度进行初步评估与优化。

  3.素养目标：

    （1）强化“安全第一、生命至上”的工程伦理观和严谨细致的工匠精神。

    （2）培养系统思维、工程经济意识和可持续发展的理念。

    （3）提升团队协作、沟通表达和解决复杂工程问题的综合职业素养。

  4.核心学习成果：

    学生小组最终提交一份包含设计说明书、计算书、工艺流程图（PID）、平面布置图的“XX小区中压区域调压站初步设计项目报告”，并进行设计方案答辩。该成果应体现对专业知识与技能的综合应用，符合行业设计深度要求。

  （四）教学内容重构与组织

  打破传统按章节平铺直叙的模式，以“完成一个真实设计项目”为主线，将知识点、技能点解构并融入项目工作流程，形成模块化、递进式的教学内容：

  模块一：项目导入与需求分析（2学时）

    内容：设计任务书解读（气源参数、用户负荷、站址条件、规范要求）；调压站功能、类型与设计原则；相关设计规范体系梳理。

  模块二：工艺流程设计与设备认知（6学时）

    内容：典型工艺流程剖析（单路、并联、监控、带加热/计量等）；核心设备（调压器、安全装置、过滤分离设备、加热设备）的深入原理、性能曲线、选型要点；工艺流程方案拟定与比选。

  模块三：工艺参数计算与设备选型（8学时）

    内容：流量计算与负荷分析；管径与流速确定；调压器通过能力计算与选型；安全放散系统计算；过滤器、加热器等设备选型计算；计算软件（或Excel计算模板）的应用。

  模块四：工程图纸绘制与表达（6学时）

    内容：燃气工程制图规范（CJJ/T130）；工艺流程图（PID）图例、标注与绘制要点；站区平面布置原则与绘图；CAD软件高级应用技巧。

  模块五：设计集成、优化与答辩（6学时）

    内容：设计方案整合与校核；技术经济性简要分析；设计说明书撰写；项目成果汇报与答辩技巧。

  （五）教学策略与方法

  采用“项目驱动、线上线下混合、工学结合”的教学模式，具体方法如下：

  1.项目驱动教学法（PBL）：以真实的区域调压站设计项目贯穿始终，使学习在解决真实、复杂问题的情境中发生。

  2.案例教学法：剖析正反两方面经典工程设计案例（包括成功运行案例和典型事故案例），深化对规范条文和安全要点的理解。

  3.情境模拟与角色扮演：在设计评审环节，模拟“设计院内部评审会”，学生扮演设计人、校核人、审核人等角色，从不同视角审视设计成果。

  4.协作学习法：学生以3-4人为一组，组建“项目设计团队”，分工协作完成项目，培养团队合作精神。

  5.线上线下混合教学：利用在线课程平台（如智慧职教、超星学习通）提供微课视频、规范电子版、设计案例库、计算工具软件、在线测试等资源，支持学生课前预习和课后拓展。线下课堂聚焦于重难点解析、项目研讨、技能实操和个性化指导。

  6.专家工作坊：邀请燃气设计院资深工程师或企业技术专家进校，举办“设计前沿与疑难解析”工作坊，介绍行业最新技术（如智能调压、数字孪生）和工程实践经验。

  （六）教学评价设计

  建立“过程性评价与终结性评价相结合、多元主体参与、聚焦能力产出”的评价体系。

  1.过程性评价（占总评50%）：

    （1）线上学习数据：视频观看进度、章节测试成绩、在线讨论参与度。

    （2）课堂表现：提问与回答、小组讨论贡献、实操练习完成情况。

    （3）阶段性项目成果：各模块提交的阶段性成果，如工艺流程方案图、计算书草稿、CAD绘图练习等，采用“教师评价+组间互评”方式。

  2.终结性评价（占总评50%）：

    以最终提交的《项目设计报告》和现场答辩为核心。

    （1）项目设计报告（占35%）：评价设计方案的合理性、计算的准确性、图纸的规范性、说明书的完整性以及规范应用的严谨性。制定详细的量规（Rubric）进行评分。

    （2）小组答辩（占15%）：评价成果汇报的逻辑性、团队成员协作与表达能力、回答问题的准确性。答辩评委由课程教师和特邀企业专家共同组成。

  二、教学实施过程（详细教案）

  第1-2学时：项目启动——设计任务与规范体系导入

  一、教学阶段目标

  1.学生能清晰陈述本单元项目设计任务的具体要求与约束条件。

  2.学生能列举城镇燃气调压站的主要类型及其适用场合。

  3.学生能建立起燃气工程设计必须遵循规范体系的强烈意识，并知晓核心规范的名称与主要内容范畴。

  二、教学资源与准备

  1.资源：设计任务书（每小组一份）、GB50028等规范关键条款摘录手册、不同类型调压站（门站、区域站、用户专用站）的现场图片或三维仿真视频、在线课程平台预习任务包。

  2.准备：学生已完成在线平台关于“城镇燃气输配系统概述”的预习及小测。

  三、教学过程

  1.情境创设与任务发布（15分钟）：

    教师播放一段关于某城市因调压站故障导致片区停气，抢修人员连夜奋战的新闻视频。引出问题：“一个可靠的调压站设计，如何防患于未然？”随后，正式发布《XX市新建“阳光花园”小区中压区域调压站初步设计》项目任务书。教师化身“项目甲方代表”，详细解读任务书核心内容：气源为来自上游次高压管道的天然气，进站压力范围、设计流量、出口压力要求、站址地形地貌图、当地气象条件、需遵守的规范清单等。强调设计的边界条件和交付标准。

  2.核心知识精讲与互动（40分钟）：

    （1）调压站的功能与分类：结合图片/视频，精讲调压、计量、加臭、净化、监控等核心功能。重点辨析门站、区域调压站、专用调压站、用户调压箱（柜）在系统中的地位、设计压力与规模的差异。提问：“‘阳光花园’项目属于哪一类？其设计应重点关注什么？”

    （2）设计规范体系导航：这是本课重点。将设计规范比喻为“工程领域的法律”。系统梳理“法律体系”：以《城镇燃气设计规范》（GB50028）为“根本大法”，《输气管道工程设计规范》（GB50251）、《城镇燃气输配工程施工及验收规范》（CJJ33）等为“专门法”，设备产品标准为“配套法规”。带领学生快速翻阅规范目录，重点指出与本项目强相关的章节（如调压装置设置、安全放散、防火间距等）。通过一个因忽视规范中“安全间距”而导致重大安全隐患的反面案例，深化学生对“规范即底线”的认识。

  3.小组活动：任务分解与规范初探（30分钟）：

    各项目小组召开第一次“项目组会”。任务一：共同研读设计任务书，列出设计中需要明确的“已知条件”和待解决的“未知问题”清单。任务二：根据教师指引，在GB50028中初步查找与“调压站布置”、“放散管”相关的条款，并进行摘录和讨论。教师巡视指导，解答各小组在理解任务和查阅规范中遇到的共性困惑。

  4.总结与布置课后探究（5分钟）：

    总结调压站设计的基本流程框架：需求分析→方案拟定→计算选型→绘图表达。布置课后作业：在线平台观看“典型区域调压站工艺流程”微课；各小组根据任务书，初步讨论并提出2-3种可能的工艺流程图框图设想（不要求细节）。

  第3-8学时：核心工艺与设备选型深度学习

  （本部分为连续多个学时的深入教学，以下分解关键节点）

  节点一：工艺流程方案决策（第3-4学时）

  1.目标：学生能比较不同工艺流程（单路、双路并联、监控式等）的优缺点，并能根据项目条件合理选择或组合工艺流程。

  2.过程：

    （1）案例对比分析：展示三个已建调压站的简化PID：一个老旧小区的单路调压、一个大型社区的并联调压、一个重要工业用户的监控式调压。引导学生从可靠性、供气连续性、投资成本、占地面积等方面进行对比讨论。

    （2）核心原理精讲：深入讲解“监控调压”的工作原理——“工作路常开，监控路standby”，以及监控路何时启动。引入“可靠性框图”分析方法，定量（定性）比较不同配置的可靠度。

    （3）小组方案论证：针对“阳光花园”项目（任务书可设定该小区为多栋高层建筑，对供气可靠性要求较高），各小组论证应选择何种流程。要求陈述理由，并绘制初步的工艺原理框图。教师组织方案听证会，对各组方案进行质询，引导思考备用路是否必要、是否需要增设超压切断等安全功能。

    （4）拓展：引入“智能化”流程概念，如基于流量和压力预测的调压路自动切换系统，拓宽学生视野。

  节点二：核心设备原理与选型（第5-8学时）

  1.目标：学生能理解调压器、安全切断阀、放散阀等关键设备的工作原理和关键性能曲线，掌握其选型的基本步骤和匹配原则。

  2.过程：

    （1）调压器深度剖析：不再是简单介绍结构，而是聚焦其静态和动态特性。讲解流量特性曲线（Q~ΔP）、精度、关闭压力等关键参数。通过动画演示进口压力波动、用气量突变时，调压器内部元件（如皮膜、阀芯）的响应过程。强调“选型不当”可能导致的不稳定现象（如喘振）。

    （2）安全装置联动逻辑：这是安全设计的核心。详细讲解安全切断阀与放散阀的设定压力逻辑关系：切断压力<放散阀开始放散压力<放散阀全开压力<管道设计压力。通过一个连锁故障导致事故的案例（如放散阀失效，仅靠切断阀，但切断后如何处置？），强调安全冗余设计的必要性。介绍“安全仪表系统（SIS）”在燃气站场的应用理念。

    （3）设备选型实战演练：提供某品牌调压器的实际产品选型手册（或电子版）。给定一组计算出的工况条件（进口压力范围、所需流量、出口压力要求），带领学生一步步查阅手册，根据曲线选择合适型号，并确定阀口尺寸、是否需要配备指挥器或附加功能。同样方法练习安全阀口径的估算。

    （4）辅助设备认知：介绍过滤器精度选择与压损计算、燃气加热器的热负荷计算（防止调压后温降过大形成水合物），使学生理解工艺是一个有机整体。

    （5）小组工作：各小组根据本组初步确定的工艺流程，开始编制“设备选型清单（初稿）”，并注明关键参数和选型依据。教师提供指导，纠正普遍存在的“重主设备、轻辅助设备”和“参数选取过于理想化”的倾向。

  第9-14学时：计算驱动设计与数字化表达

  节点三：工艺参数计算与校核（第9-11学时）

  1.目标：学生能够运用流体力学知识和行业认可的计算方法，完成调压站主要工艺参数的计算，并利用计算结果验证和修正设备选型。

  2.过程：

    （1）统一计算理论与模型：回顾流体力学基本公式，引入燃气工程中常用的实用计算公式（如调压器流量计算公式——常用苏霍夫公式或其简化形式）。强调公式的适用范围和单位换算的极端重要性。

    （2）分步计算引导：

      a.负荷分析与流量确定：根据任务书给出的用户类型和户数，讲解同时工作系数法，计算调压站的设计流量和小时高峰流量。讨论调峰措施。

      b.管径计算与流速校核：根据流量和允许流速范围（规范规定），计算站内管道管径。强调经济流速与噪声控制。

      c.调压器通过能力校核：这是核心计算。利用选定的调压器型号参数和实际工况，代入公式校核其是否满足最大、最小流量需求，并检查其工作区间是否在推荐的高效区内。演示计算软件或Excel计算模板的使用。

      d.安全放散量计算：讲解在超压工况下，计算所需最小放散量的方法，以验证所选放散阀口径是否足够。

    （3）计算工作坊：学生以小组为单位，在教师提供的计算模板上进行实际计算。教师巡视，重点关注计算过程的规范性、参数取值的合理性以及单位的一致性。鼓励学生发现计算结论与初步设备选型的矛盾，并学会根据计算结果调整选型。

    （4）计算书撰写规范：讲解工程计算书的格式要求，包括原始数据、计算公式及来源、计算过程、计算结果及结论。要求小组将计算过程整理成文。

  节点四：工程制图规范与CAD实战（第12-14学时）

  1.目标：学生能严格遵守燃气工程制图规范，运用CAD软件熟练绘制符合行业要求的工艺流程图和平面布置图。

  2.过程：

    （1）规范精讲：详细解读CJJ/T130《燃气工程制图标准》。重点讲解：设备与管线的图例、管线编号与标注方法（物料代号、管道号、管径、压力等级等）、仪表与控制点的表示方法、图纸比例与图面布局原则。

    （2）PID绘制实战：教师演示使用CAD绘制一张简化PID的全过程，包括图层设置、图块制作与调用、管线绘制技巧、文字与表格标注。特别强调图纸的信息完整性和可读性，如需标明设计条件、设备表、接管表等。

    （3）平面布置原则：讲解站区设备布置的防火间距要求（对照GB50028附录）、操作检修通道、放散管朝向与高度、风向考虑等。展示优秀和不良的布置案例对比图。

    （4）上机实操与指导：学生小组在机房进行绘图。任务一：绘制本组调压站详细的PID。任务二：根据站址地形图，绘制站区工艺设备平面布置草图。教师提供常用设备图块库，并进行一对一辅导，解决学生在绘图中的技术问题和规范应用疑问。

  第15-20学时：设计集成、优化与项目答辩

  节点五：设计整合与优化评审（第15-17学时）

  1.目标：学生能够将分散的设计成果整合成一套协调、完整的设计方案，并能从多角度对其进行审视和优化。

  2.过程：

    （1）设计集成检查单：教师提供一份“设计集成检查单”，内容涵盖：工艺流程与计算书的一致性、设备选型与图纸标注的一致性、规范条款的符合性、图纸本身的完整性等。各小组对照检查单进行内部交叉校审。

    （2）技术经济性初步分析：引入工程经济概念。引导学生思考本组设计方案中，哪些措施提高了成本（如双路配置），哪些措施降低了长期运行风险或维护成本。进行简单的“性价比”讨论，理解工程决策中的权衡。

    （3）模拟设计评审会：组织“设计评审会”。每组选派代表陈述设计方案核心内容（10分钟）。其他小组和教师扮演“评审专家”，从技术合理性、安全性、经济性、可实施性等方面提出问题或建议（5分钟）。营造严肃、专业的评审氛围。教师最后进行总结点评，指出共性问题和高光点。

    （4）方案修改与报告撰写：各小组根据评审意见修改完善设计方案，并按照规定的格式，整合设计说明书、计算书、图纸，形成完整的《项目设计报告》。

  节点六：项目成果答辩与总结（第18-20学时）

  1.目标：学生能够专业地展示和答辩其设计成果，全面回顾和反思整个项目学习过程。

  2.过程：

    （1）答辩准备指导：讲解答辩技巧，包括PPT制作要点（突出亮点、逻辑清晰、图文并茂）、汇报时间控制、团队成员分工与配合、应答策略等。

    （2）正式项目答辩：邀请1-2名企业专家与课程教师共同组成答辩委员会。各小组按抽签顺序进行成果汇报（15分钟）和回答提问（10分钟）。委员会依据答辩评分量规进行打分和点评。答辩过程全程录像，供课后复盘。

    （3）多元评价与反馈：答辩结束后，结合过程性评价成绩和终结性评价成绩，公布总评。教师对整个单元的学习进行总结，梳理知识技能脉络，高度评价学生在项目中的成长。发放课程学习反馈问卷，收集学生对教学内容、方法、难度的意见。

    （4）优秀作品展示与归档：评选优秀设计报告，在专业宣传栏和在线平台进行展示。所有学生的设计报告电子